物理学史在大学物理实验中的应用

胡玮通

摘 要：随着大学物理实验的不断改革和发展，物理学史的作用突显。但在实际教学中往往因为教学设计时间分配等原因没有深入挖掘总结性概括，很难让学生体会到物理学史的重要性。因此，笔者在查阅了大量物理书籍后，总结出密立根油滴实验的物理学史，并创造性的利用“时间抽”教学方式将其应用到课堂讲授中，起到了很好的教学效果。

关键词：物理学史;大学物理实验;密立根油滴实验

1引言

大学物理实验是学生进入大学后，接受系统实验方法和实验技能训练的开端，对提高学生的动手能力，培养学生的科学素质起到了重要作用。随着大学物理实验改革的不断深入，物理学史的地位逐渐显现，但由于受课堂时间的限制，很多物理学史教师在教授时作为引课只进行总结性的概括，无法深入的展开，剖析其所蕴含的物理思想、设计思想、发展历史、人文精神等，学生也无法感受到物理学史在整个学习过程中的重要性，往往就忽视对此部分的学习。而且此部分的讲授通常与后面的实验原理存在脱节的现象，不能融入其中，无法充分调动学生学习的兴趣，只知其然不知其所以然。因此，为了将物理学史这份宝贵的资源充分利用，最大化地将其融入到实际教学中，笔者通过多年的实践总结出了“时间轴”教学方法，即按物理概念和规律发展的年代，代表人物所做出的贡献遇到的问题等用讲故事的方式逐步展开，并充分融入到实验原理中。下面详细介绍一下此方法在密立根油滴实验中的应用。

2应用

密立根油滴实验堪称是物理实验的楷模。它采用了经典力学的方法，证明了任何带电体所带电量都是不连续的，而是某一数值的整数倍，这一特殊的电荷量实际上就是基本电荷值。科学家为了测量这个基本电荷值做了大量科學实验探索工作，从研究电子开始逐步发展。电子是人类所认识的第一个基本粒子。1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子的存在并测定出荷值比，而电子电荷值是多少无法用直接测量法得到，因此科学家们采用的是间接测量的方法，哪间接测量的话需要测量那些物理量呢？经过研究只需要测量的是某一带电体所带的电量q，那某一带电体选择什么作为电量的载体合适呢？又利用了什么测量方法呢？1898年汤姆孙的“膨胀云室法”，1903年汤姆孙的学生威尔逊的“水平极板法”，这两位科学家所使用的带电体是由X射线电离的云雾，1909年3月密立根重复了威尔逊的“水平极板法”实验，并进行了两点改进。一是将电离剂由X射线改变为镭，二是为了防止云雾顶端的蒸发，密立根将水平极板的电压加到1万伏以上，当合上电闸的那一瞬间，奇迹发生了，云雾散开了，在极板间只留下了几颗带有合适电量的水滴，密立根以其敏锐的科学判断力抓住了这一现象，将带电体改为水滴。同年8月密立根受邀参加由英国科学促进会在加拿大举行的年会，当时数学物理分会的主席正是赫赫有名的卢瑟福，卢瑟福肯定了密立根的贡献，并建议他一定要努力防止水滴的蒸发。同时，科学家拉曼建议密立根注意斯托克斯定律的有效性。密立根参加完会议以后，倍受鼓励，信心大增，在从加拿大回到芝加哥的火车上，密立根遥望着窗外，灵感上身，自言自语道“我好笨呀！为什么不使用钟表油呢，它几乎是不会蒸发的呀！回到芝加哥大学以后，他立刻和他的学生雷切尔开始使用油滴的实验，利用实验数据经过计算后，他发现e值会随着油滴的减小而增大，他认为产生这一谬误的原因就是油滴的半径太小了，已经可以和空气的间隙相比拟，此时空气已经不能看成是连续的介质了，因此密立根第三次对斯托克斯定律进行了修正，最终得到了满意的测量结果。利用“时间轴”的教学方法学生对整个历史的发展清楚明了，学习热情也被充分带动，非常自然的就和后面的实验原理及实验仪器的设计思想部分紧密地联系起来。学生普遍感到受益匪浅，以史为鉴，使其知其然更知所以然，创造力被充分激发，而且也体会到了科学家身上那种不畏艰难险阻一直向前的精神，发现问题、分析问题、解决问题的科学素养。这是一位学员上完本次课后写下来的一段话“对于本次实验课我收获很多，特别是物理学史的部分，解决了困扰我多年的疑惑，比如最早的带电体竟然是被电离的云雾。同时我要成为实干家，而不是成为只说不干的思想家，用思想和双手去创造。谢谢教员的提醒，最后感谢教员的耐心指导”。

3.总结

通过密立根油滴实验，可以明显的感受到物理学史的重要性，学生对于物理学史的兴趣。而且利用“时间轴”的教学方式符合思维过程，很容易和后续环节衔接，相互连通。在有限的课堂时间内使学生以史出发，以年代为轴，一针一针连线，将发现问题、分析问题、解决问题贯穿其中，培养了学生的科学实验素养，并使学生体会到了科学发展的不易及科学家身上的科学实验精神，对培养学生的情感态度价值观等都起到了积极的促进作用。

[参考文献]

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[2]宋丽影.物理学史在工科大学物理实验中的教育功能研究[D].合肥工业大学，2015.

[3]李玲.物理学史在大学物理课堂教学中的应用[J].中国电力教育，2014（08）：122-123.

（作者单位：空军航空大学航空基础学院基础部，吉林 长春130022）